Os cientistas encontraram mais de 4.000 planetas fora do nosso sistema solar. Aqui, o especialista em exoplanetas da Universidade de Stanford Bruce Macintosh e lider da equipe por trás do Gemini Planet Imager explica como os cientistas encontram mundos aliena­genas, por que devemos ser canãticos sobre relatos de exoplanetas "do tamanho da Terra" e "habita¡veis" e o que as descobertas de exoplanetas podem dizer nossobre o universo e nosso pra³prio planeta.

Retrato em tons de cinza de Bruce Macintosh com reflexos claros ao redor

“Uma das coisas mais interessantes que aprendemos desde que descobrimos o primeiro exoplaneta há30 anos écomo o universo édiferente em comparação com o que pensa¡vamos que era - como os outros sistemas solares são diferentes do nosso”, disse Macintosh, professor de física na Escola de Ciências Humanas . “Isso me faz pensar que a Terra éprovavelmente um planeta muito especial.”

A resposta curta: o artigo de 25 anos que ganhou o Praªmio Nobel em 2019 convenceu os cientistas de que eles já tinham as ferramentas para ver exoplanetas - então as descobertas continuaram rolando.

Macintosh: Muitas pessoas pensaram que outros sistemas solares eram como o nosso - alguns pequenos planetas rochosos mais pra³ximos do sol e alguns planetas gigantes mais distantes - e que seria, portanto, quase impossí­vel encontrar exoplanetas porque nossas ferramentas não sãosensívelo suficiente para ver esses tipos de sistemas. Essa era uma ideia tão popular que as pessoas que trabalhavam no campo logo no ini­cio tiveram problemas para obter acesso a telesca³pios e financiamento.

Houve tentativas de descobertas iniciais, mas elas não corresponderam a s expectativas, então não mudaram muito o campo. Então, o jornal de 1995, de Michel Mayor e Didier Queloz - que os levou a ganhar o Praªmio Nobel em 2019 - argumentou fortemente que realmente esta¡vamos vendo exoplanetas. Outra meia daºzia de descobertas de exoplanetas veio logo em seguida, porque eles estavam apenas sentados nos arma¡rios das pessoas, não analisados, esperando por esse tipo de argumento forte.

Acontece, também, que o universo parece favorecer pequenos planetas e, portanto, a  medida que as técnicas se tornaram mais sensa­veis, eles descobriram mais e mais.

A resposta curta: os cientistas estavam confiantes e muito meticulosos na eliminação de outras explicações possa­veis (não exoplanetas) para suas descobertas.

Macintosh: Foi uma combinação de descartar com muito cuidado outras explicações e de ter a confianção necessa¡ria para afirmar que encontraram um exoplaneta. Suas medições exigiam que os colegas aceitassem um planeta - agora chamado 51 Pegasi b - diferente de tudo que eles haviam imaginado: quente, do tamanho de Jaºpiter, mais pra³ximo de seu sol do que a Terra estãodo nosso e com uma a³rbita de menos de cinco dias.

Ao longo do caminho, o prefeito e Queloz tiveram que descartar outras possibilidades, como a sugestãode que suas medições mostravam, na verdade, uma estrela que estava se expandindo e se contraindo, ou que haviam encontrado algo maior orbitando uma estrela e estavam apenas observando-o de um estranho a¢ngulo que fez o objeto orbital parecer do tamanho de um planeta. Tambanãm ajudou o fato de muitos outros fazerem medições semelhantes, de modo que exoplanetas inesperados começam a se tornar mais prova¡veis ​​do que algum estranho alinhamento casual.

A resposta curta: geralmente usamos manãtodos indiretos que nos permitem ver os efeitos do planeta, mas não os pra³prios planetas.

Macintosh: Existem dois manãtodos principais que descobrimos planetas agora: o manãtodo Doppler e o manãtodo de tra¢nsito. Ambos são formas indiretas de “ver” os planetas, o que significa que estamos observando seus efeitos, mas não os pra³prios planetas. Ver os planetas diretamente émuito difa­cil porque eles estãomuito perto de suas estrelas e muito mais fracos em comparação.

O manãtodo Doppler mede como a gravidade do planeta atrai a estrela que orbita dia após dia, ano após ano. Nãopodemos ver o que estãopuxando a estrela, mas podemos calcular sua massa. Essa foi a técnica que foi utilizada pelos dois pesquisadores ganhadores do Praªmio Nobel de 2019.

O manãtodo de tra¢nsito envolve medir asmudanças na luz da estrela. Se um planeta passar na frente de uma estrela, ele bloqueara¡ parte da luz da estrela, fazendo com que ela diminua. (Se vocêestivesse olhando para nosso sistema solar de muito longe na direção certa, veria nosso sol ficar cerca de 1 por cento mais fraco a cada 12 anos quando Jaºpiter se interpusesse.) Para que isso funcione, no entanto, vocêprecisa tenha muita sorte - o planeta e a estrela tem que se alinhar para isso. Se vocênão estãose sentindo mega-sortudo, então vocêprecisa olhar para dezenas de milhares ou centenas de milhares de estrelas para encontrar as poucas que estãoalinhadas da maneira certa. Com grandes ca¢meras digitais modernas e computação moderna, isso épossí­vel. O software automatizado encontra os planetas possa­veis, então os astrônomos descobrem quais são reais e interessantes. Por ser tão automatizado e computadorizado,

Ambos os manãtodos funcionam melhor quando os planetas estãopra³ximos de suas estrelas. Em um universo cheio de sistemas solares como o nosso, eles quase nunca funcionariam. A primeira surpresa surpreendente sobre os exoplanetas éque existem tantos planetas de todos os tipos e tamanhos tão pra³ximos de suas estrelas.

A resposta curta: podemos calcular sua massa ou raio, talvez sua densidade e um pouco de informação vaga sobre sua atmosfera. a€s vezes, também podemos estimar sua idade.

Macintosh: Quando vocêusa essas técnicas da maneira mais simples, elas indicam a massa ou o raio do planeta. Se vocêtiver sorte e puder aprender os dois, podera¡ calcular a densidade (quanto pesa cada metro caºbico do planeta), que pode ser uma pista do que éfeito - mas vocênão pode realmente dizer a diferença entre um planeta que émetade rocha e metade grande, atmosfera fofa contra um planeta que étodo a¡gua.

Com telesca³pios e instrumentos modernos, se a luz da estrela passou pela atmosfera de um planeta em tra¢nsito antes de chegar atévocaª, vocêpode aprender algo sobre sua composição atmosfanãrica. Agora, para que funcione, tem que ser um grande planeta - pelo menos do tamanho de Netuno - e vocêtem que vaª-lo transitar muitas vezes. Ao analisar essa luz, podemos encontrar evidaªncias de moléculas individuais na atmosfera do planeta - como mona³xido de carbono ou vapor de águaou metano - e aprender coisas sobre a temperatura do planeta ou a pressão em sua atmosfera.

Quanto a  idade, geralmente vocêpode dizer se uma estrela érealmente jovem, e isso significa que seus planetas (se houver) também sera£o jovens.

A resposta curta: Enquanto outras técnicas encontram exoplanetas registrando seus efeitos, o Gemini Planet Imager obtanãm imagens dos pra³prios exoplanetas.

Macintosh: O Gemini Planet Imager, que iniciou suas operações cienta­ficas em 2014, vaª exoplanetas diretamente . Agora, isso não significa que vemos continentes e oceanos. Vemos dois pontos, a estrela e o planeta. Mas émuito difa­cil conseguir atéisso! Jaºpiter éum bilha£o - mil milhões - de vezes mais fraco que o sol e eles estãomuito pra³ximos uns dos outros para os padraµes planetarios, então écomo tentar procurar um vaga-lume pra³ximo a um farol.

Incorporamos muita tecnologia para bloquear o “farol” e ver o minaºsculo “vaga-lume”. Isso funciona melhor para exoplanetas que estãolonge de suas estrelas - como onde Saturno, Netuno ou Urano estãoem nosso sistema solar. E são podemos ver planetas que são extra brilhantes, o que significa planetas que são jovens. (Quando um planeta gigante como Jaºpiter se forma, uma grande quantidade de energia éliberada; então, se vocêpegar um planeta bebaª, ele ainda estara¡ quente e brilhando.) Acontece que não hámuitos exoplanetas que se enquadrem nesse critanãrio, então não pegamos 4.000 deles, mas cobrimos exoplanetas que outras técnicas não estãoestudando.

No momento, a imagem direta - com o Gemini Planet Imager e outros instrumentos semelhantes - provavelmente estãofornecendo algumas das melhores medições que temos da composição da atmosfera planeta¡ria, porque vocêtem luz direta que pode analisar. Podemos ver quais substâncias químicas estãopresentes na atmosfera do planeta, aprender sobre nuvens e química. A limitação, por enquanto, éque o planeta tem que ser brilhante, longe de sua estrela, jovem e grande - cerca de duas vezes o tamanho de Jaºpiter.

A resposta curta: atéagora, não vimos nada parecido.

Macintosh: O desafio agora éque não podemos ver exoplanetas iguais a  Terra com nossas tecnologias atuais. Muitos são do tamanho da Terra, mas são podemos vaª-los em torno de estrelas que são realmente diferentes do nosso sol. E são podemos realmente medir o tamanho, então não sabemos como eles se formaram ou detalhes definitivos sobre o que são feitos.

Portanto, a pergunta que estamos tentando responder agora ése nosso sistema solar éraro - porque um sistema solar como o nosso teria mais probabilidade de ter uma Terra. Pelo que vimos atéagora, os planetas em geral se aglomeram mais perto de suas estrelas do que os planetas em nosso sistema solar. Se cada estrela tivesse um sistema solar como o nosso, provavelmente sabera­amos cerca de 10 planetas em todo o universo pesquisado, mas, em vez disso, encontramos cerca de 4.000.

Isso significa que a combinação de eventos que levaram a um sistema solar bem comportado com um planeta no qual as pessoas podem evoluir émuito rara? Ou esses sistemas solares são apenas difa­ceis de encontrar?

A resposta curta: significa apenas que eles tem o tamanho da Terra.

Macintosh: Neste momento, toda vez que vir a palavra “semelhante a  Terra”, vocêdeve substitua­-la pela palavra “do tamanho da Terra”, porque éisso que estamos medindo. Eis por que isso éimportante: Vaªnus éum planeta do tamanho da Terra, mas não ésemelhante a  Terra de outras maneiras que nos importam.

Dado que não podemos medir a composição de um planeta do tamanho da Terra ou de planetas orbitando estrelas como o nosso pra³prio sol, certamente não háevidaªncias de um planeta verdadeiramente semelhante a  Terra.

Mencionei que o manãtodo de tra¢nsito pode obter algumas medições de exoplanetas - especificamente versaµes quentes de Netuno. Neles, vemos os mesmos elementos que estãopresentes em nosso sistema solar, como águae dia³xido de carbono. Isso pode significar que planetas menores são como a Terra, mas acho isso otimista.

A resposta curta: não temos como saber se podera­amos viver em algum dos exoplanetas que descobrimos.

Macintosh: Vocaª deve pensar em “zona habita¡vel” como “obtanãm a quantidade certa de zona de luz solar”, onde vocêobtanãm energia suficiente do sol para ter águala­quida em suasuperfÍcie.

Agora, vocêrealmente precisa entender a história de um planeta para dizer se os humanos poderiam sobreviver la¡. Outro exemplo de Vaªnus: algumas definições colocam Vaªnus na zona habita¡vel, mas tem uma temperatura desuperfÍcie de quase 1.000 graus Fahrenheit e chove a¡cido sulfaºrico e a pressão iria esmaga¡-lo.

Infelizmente, não temos a capacidade de medir muito além da luz solar e do tamanho agora, o que sugere que não devemos usar a palavra “habita¡vel” por muito tempo.

A resposta curta: procuramos coisas associadas a  vida na Terra, como oxigaªnio ou águala­quida.

Macintosh: Com telesca³pios, olhando para algo a 100 anos-luz de distância, não podemos ver continentes ou oceanos. Portanto, procuramos outras dicas de vida que nos são familiares, como oxigaªnio ou vida baseada em carbono que envolve águala­quida. A evidência de vida éainda mais forte se encontrarmos produtos químicos adicionais que, atéonde sabemos, são existem juntos como resultado da vida - como ter a¡gua, metano e oxigaªnio. Nãopodemos nem mesmo ver esses produtos químicos agora, mas instrumentos futuros - o Telescópio Espacial James Webb, telesca³pios extremamente grandes no solo e talvez futuros telesca³pios espaciais muito grandes - sera£o capazes de procurar por oxigaªnio e a¡gua.

Pode haver um monte de outros caminhos para a vida que ainda não entendemos. Em nosso sistema solar, as pessoas pensam que vocêpode ter vida sob o gelo de algumas das luas dos planetas exteriores. Na³s voamos com Espaçonaves por esses planetas, mas ainda não podemos dizer. Tambanãm hápessoas que pensam que pode haver vida em Marte - mas não sabemos ao certo, embora tenhamos robôs dirigindo nasuperfÍcie. Portanto, descobrir se hávida a 100 anos-luz daqui serámuito incerto!

Somos embaraa§osamente centrados no ser humano naquilo que escolhemos como um sinal de vida. Mas se encontrarmos um exoplaneta com uma química que parece inimaginavelmente estranha, as pessoas tentara£o entender se háuma explicação biológica para isso.

A resposta curta: quanto mais sabemos sobre outros exoplanetas, mais podemos descobrir sobre o que torna a Terra especial - ou não.

Macintosh: Os exoplanetas podem nos ajudar a nos contar sobre os processos que fazem os planetas se formarem e evolua­rem, e entender isso pode ser a chave para encontrar exoplanetas que realmente são como a Terra.

Já sabemos que provavelmente háum bom número de planetas a  distância certa do sol (na zona habita¡vel) e do tamanho certo (como a Terra), mas uma coisa que ainda éespecial sobre a Terra éque ela tem a quantidade certa de atmosfera. Isso estãorelacionado a  forma como se formou e a  história de nosso sistema solar. Portanto, se sabemos que outros sistemas solares se formaram com uma história semelhante, podera­amos inferir que os planetas que se formaram nesses sistemas solares podem ter uma atmosfera semelhante a  da Terra.

Tambanãm estamos usando tudo o que podemos observar agora para tornar nossos telesca³pios melhores. Meu grupo estuda planetas com o dobro do tamanho de Jaºpiter, e podemos medir do que são feitos. Assim que tivermos telesca³pios melhores no Espaço, o software que usaremos seráo mesmo que usaremos se algum dia medirmos a composição de um planeta como a Terra.

A resposta curta: pode haver um anaºncio de oxigaªnio em um planeta do tamanho da Terra - mas eu duvido.

Macintosh: Se tivermos sorte, poderemos medir a composição dos exoplanetas do tamanho da Terra na zona habita¡vel usando tra¢nsitos. Recentemente, tivemos o primeiro espectro realmente bom de um planeta de zona habita¡vel, mas tinha o dobro do tamanho da Terra, o que o torna não especialmente habita¡vel.

Ha¡ uma missão agora chamada Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) que supostamente descobre planetas na zona habita¡vel de pequenas estrelas que estãoperto da Terra. Se lana§armos o Telescópio Espacial James Webb, ele sera¡sensívelo suficiente para medir sua luz ou espectro. Com esses dois instrumentos, nos pra³ximos seis anos ou mais, passaremos de mal compreender a composição atmosfanãrica de um ou dois pequenos planetas para conhecer dezenas - alguns dos quais estara£o exatamente nesta zona habita¡vel, escala do tamanho da Terra . O oxigaªnio acabou sendo muito difa­cil para James Webb detectar, mas, se tivermos sorte, um exoplaneta pode ter uma atmosfera grande e fofa que seja fa¡cil de ver.

Tambanãm obteremos as primeiras medições reais da composição atmosfanãrica desses sistemas que são estranhos e nada parecidos com os nossos. Do que esses planetas são realmente feitos?

Como uma pessoa pessimista no campo, não acho que veremos oxigaªnio de um planeta como a Terra, mas acho que aprenderemos muito sobre a composição atmosfanãrica de centenas e centenas de planetas. Por enquanto, o hardware para fazer isso ésentar em uma sala limpa em Los Angeles e os dedos cruzados para que ele saia de la¡ e va¡ para o Espaço.

A resposta curta: qualquer coisa que diga que encontramos vida porque encontramos oxigaªnio.

Macintosh: Eu diria a s pessoas para terem cuidado com qualquer coisa que diga que encontramos oxigaªnio e isso significa que existe vida.

Se conseguirmos uma detecção de oxigaªnio com James Webb, não seráuma medição forte e significativa. Portanto, hálguma chance de que simplesmente não seja oxigaªnio. Mesmo se for, não acho que teremos contexto suficiente para saber com certeza que uma explicação biológica éa explicação mais prova¡vel - muito menos uma explicação definitiva.

A resposta curta: o Gemini Planet Imager vai examinar novos tipos de exoplanetas. Tambanãm esperamos enviar um telesca³pio ao espaço e desenvolver uma “sombra de estrela” para um novo tipo de caça ao planeta.

Macintosh: Neste momento, estamos estudando vários planetas com nosso Gemini Planet Imager no Chile. O menor que encontramos tem cerca de 25 milhões de anos, duas a três vezes a massa de Jaºpiter e meio que orbita onde Saturno esta¡. Vamos reconstruir o instrumento, torna¡-lo maissensívele movaª-lo para um telesca³pio no Havaa­. Isso nos permite olhar para uma parte diferente do canãu e esse local tem melhores condições atmosfanãricas.

Em nossa primeira pesquisa, não vimos nenhum desses planetas gigantes nas partes externas dos sistemas solares que tinham estrelas como o sol. Vimos algumas estrelas ao redor que eram mais massivas que o sol. Agora, queremos aumentar a sensibilidade para procurar planetas com tamanhos ainda mais pra³ximos de Jaºpiter - o que pode ser muito raro. Tambanãm poderemos observar os “bebaªs Jaºpiteres extra-jovens” que estãoativamente crescendo em direção ao seu tamanho normal, o que poderia nos dizer mais sobre a formação planeta¡ria.

Para obter exoplanetas menores que Jaºpiter, precisaremos de uma missão espacial. Indo para o Espaço, nossas medições seriam cem ou mil vezes mais sensa­veis do que o que estamos fazendo agora, o que ébastante impressionante. Estamos trabalhando em um Telescópio Espacial Nancy Grace Roman , que deve ser lana§ado por volta de 2025, e levara¡ parte da tecnologia que usamos para o Espaço. Por enquanto, estamos apenas tentando demonstrar a tecnologia, então ela ainda serálimitada aos "grandes Jaºpiteres" mais antigos. Mas, se funcionar como esperamos, essa mesma tecnologia seria capaz de ver planetas semelhantes a  Terra se fosse colocada em um telesca³pio maior e ligeiramente melhor.

Ha¡ uma abordagem diferente para detectar planetas que tenho trabalhado com Simone D'Amico, do nosso Departamento de Aerona¡utica e Astrona¡utica. a‰ chamado de sombra de estrela e usa duas Espaçonaves: uma para bloquear a luz da estrela e outra para observar o exoplaneta. Temos um conceito para uma mini versão da sombra de estrela que testaria a tecnologia antes que alguém construa­sse uma versão em tamanho real de um bilha£o de da³lares. Se conseguiremos fazer isso não estãoclaro, mas éum conceito legal.

A resposta curta: Estamos tentando decidir!

Macintosh: A astronomia estãotentando decidir o que faremos nos pra³ximos 20 anos, qual seránossa próxima grande missão espacial. Tentamos olhar para planetas semelhantes a  Terra? Ou estudamos mais as ondas gravitacionais? Ou estudamos mais os raios X de buracos negros?

Estou envolvido no processo para descobrir isso, chamado de Pesquisa Decadal. Passava muito tempo em pequenas salas de reuniaµes com oxigaªnio limitado - e agora são muitas videoconferaªncias - mas éuma discussão importante sobre o futuro da astrofa­sica com muitas pessoas inteligentes. Daqui a vinte anos, posso não estar mais praticando astrofa­sica, mas as decisaµes que estamos tomando agora podem determinar quais missaµes meus pa³s-doutorandos e alunos fara£o.